El sistema mecánico de refrigeración es el conjunto de dispositivos involucrados directamente en la circulación del refrigerante. Para cualquier sistema mecánico de refrigeración, los principios y componentes esenciales son los mismos no importa cuán grande o pequeña, o la forma en que han sido ensamblados.
A medida que aumentan las necesidades de refrigeración, los componentes relacionados con el ciclo de refrigeración se vuelven más sofisticados.
Los componentes relacionados con el ciclo básico de refrigeración reciben el nombre de COMPONENTES BÁSICOS. Los componentes relacionados con el mejoramiento del consumo de energía eléctrica, control y seguridad reciben el nombre de COMPONENTES COMPLEMENTARIOS.
Figura 1. Sistema Mecánico
COMPRESOR
Un compresor es una máquina de| fluidos que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores.
Figura 2. El Compresor
El propósito del compresor es comprimir el refrigerante que sale del evaporador y de esta manera aumentar su temperatura creando una diferencia de temperatura que permita la transferencia térmica del área refrigerada, hacia el exterior. Además, permitir la circulación del refrigerante en el circuito.
FUNCIONAMIENTO
El compresor recibe el refrigerante que sale del evaporador a baja presión y realiza un intercambio de energía a través de la acción mecánica, el trabajo ejercido es transferido al refrigerante que pasa por él, convirtiéndose en energía de flujo aumentando su presión y temperatura.
Figura 3. Funcionamiento del Compresor.
COMPONENTES
Los componentes pueden variar de acuerdo al tipo de compresor. El sistema de un compresor para refrigeración doméstica o comercial se divide en tres grupos: carcasa, sistema eléctrico y sistema mecánico.
La carcasa es la parte externa del compresor y está compuesta por bornera, tubo de succión, tubo de descarga y el tubo de servicio. Esta se encarga de cubrir los elementos que están al interior del compresor.
El sistema eléctrico está compuesto por:
Estator: está conectado a la bornera de la carcasa y convierte la energía eléctrica en energía magnética.
El rotor: son las partes móviles del compresor, están encargadas de imprimir movimiento al refrigerante para que este aumente su presión y temperatura.
• El sistema mecánico está compuesto por:
Cámara de compresión: es el lugar donde se realiza el proceso de compresión del refrigerante.
Válvula de admisión y escape: la primera es el dispositivo que permite la entrada del refrigerante a la cámara de compresión y segunda es el dispositivo que permite la salida del refrigerante.
Cilindro: es el recipiente por el cual se desliza el pistón en movimiento alternativo.
Pistón: es el encargado de comprimir el refrigerante al ser impulsado por una fuerza mecánica.
Biela: genera el recorrido del pistón produciendo el movimiento de vaivén.
Tubo de succión: es el ducto de entrada del refrigerante a la cámara de compresión.
Tubo de descarga: es el ducto de salida del refrigerante.
Protección térmica del motor: controla la temperatura en el motor desactivándolo cuando ha logrado su máxima temperatura.
Válvula de seguridad: se libera cuando alcanza una presión muy elevada para evitar daños en el compresor.
Estátor: es una parte fija que alberga al rotor y está compuesto por un imán natural o por una o varias bobinas montadas sobre un núcleo metálico que generan un campo magnético en motores más potentes y de corriente alterna.
Rotor: es la parte giratoria del motor eléctrico.
Figura 3. Componentes de un Compresor
CLASIFICACION
Compresor Hermético. Tiene el motor de accionamiento sellado dentro de la cubierta. Este tipo se utiliza en aplicaciones pequeñas y medias, y en acondicionadores de aire.
Compresor Hermético
Compresor Semi-Hermético: el compresor por sí mismo y el motor de accionamiento se encuentran dentro de la cubierta; ésta cubierta se puede abrir para inspección y mantenimiento. Se utiliza en aplicaciones más grandes.
Compresor Semi-Hermético
Compresor Abierto: los pistones y cilindros están sellados en el interior de un cárter y el cigüeñal sale a través del cuerpo para ser accionado. Se usan en aplicaciones industriales.
Compresor Abierto
Compresores Alternativos: consisten en un pistón que se mueve alternativamente dentro de un cilindro, con válvulas de entrada y salida que permiten la compresión.
Compresor Alternativo
Compresor Rotativo: están constituidos por dos cuerpos helicoidales (como dos tornillos) que rotan sincronizados. Cuando los tornillos giran, apresan el refrigerante contenido entre las roscas para ser comprimido.
Compresor Rotativo
Compresores Centrífugos: se componen de un rotor que gira a alta velocidad aprovechando la fuerza centrífuga, impartiendo energía cinética al refrigerante.
Compresor Centrífugo
Sistema de Refrigeración Básico – Arieh Nachum – Editorial Sientific Educational Systems.
Los sistemas de refrigeración son ampliamente utilizados en todos los ámbitos y sectores de la vida moderna, desde nuestras casas donde conservamos los alimentos que así lo requieren, pasando por aquellas neveras utilizadas en los supermercados para presentar sus productos, hasta llegar a aquellas plantas donde se procesa la leche y donde la refrigeración juega un papel determinante para la calidad de sus productos.
Es así entonces como las aplicaciones de la refrigeración se pueden agrupar en cuatro categorías generales:
REFRIGERACIÓN DOMÉSTICA
Estos sistemas están limitados principalmente a los refrigeradores y congeladores caseros y se caracterizan por ser de tamaño pequeño con capacidades de potencia que fluctúan entre 1/20 y 1/2 hp. Las neveras domésticas generalmente tienen dos zonas, la zona de congelación donde se mantienen los alimentos como las carnes que requieren una temperatura menor para mantener su calidad y la zona de conservación donde están por ejemplos las verduras que no requieren temperaturas tan bajas.
Estos sistemas están compuestos por un compresor de tipo hermético ubicado al interior de la nevera, un condensador que es el intercambiador de tiro natural ubicado en la parte posterior y es enfriado por aire, un dispositivo de expansión el cual es un tubo capilar, un evaporador al interior de la nevera, siendo la superficie del congelador en las neveras tradicionales o ubicado internamente y enfriando el aire que circula en las neveras No Frost y el refrigerante que tiene una temperatura de evaporación adecuada para cargas frigoríficas pequeñas.
REFRIGERACIÓN COMERCIAL
La refrigeración comercial se refiere al diseño, instalación y mantenimiento de unidades de refrigeración que se tienen en establecimientos comerciales, restaurantes, hoteles e instituciones que se dedican al almacenamiento, distribución, conservación o exhibición de alimentos o productos.
Estos sistemas se diferencian de los domésticos en que requieren trabajar con evaporadores múltiples a diferentes temperaturas lo que hace que se agreguen otros elementos adicionales a los del sistema básico, por ejemplo, algunos controles de temperatura.
REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL
Las aplicaciones industriales en general tienen los mismos componentes que los sistemas domésticos y comerciales, sin embargo sus componentes son más grandes en tamaño de acuerdo a las necesidades específicas de cada industria. Además, usan componentes adicionales más especializados que mejoran la calidad del proceso de refrigeración.
Algunas industrias, los supermercados, tiendas y almacenes, hacen parte de la cadena de frío, la cual es la encargada de mantener los productos en óptimas condiciones desde el productor hasta el consumidor final. Entre los sectores más importantes que pueden mencionarse como usuarios de estos sistemas de refrigeración están los siguientes:
Cárnicos. El control de calidad e higiene en la industria cárnica exige la instalación de grandes sistemas de refrigeración. Estos productos son sensibles a las condiciones ambientales y bajo circunstancias desfavorables sería inevitable la pérdida del producto por descomposición.
Embotelladoras. Un problema en el sistema de refrigeración representaría un paro en la producción de una embotelladora, debido a que las bebidas requieren de un proceso de pasteurización (calor + frío) y aquellas que contienen CO2 deben ser enfriadas aun más para disolver este gas en la bebida.
Cerveceras. La refrigeración es de vital importancia para el proceso de producción de la cerveza: elaboración de la malta, fermentación y maduración. Durante el proceso, la cerveza requiere de prolongados periodos de almacenamiento en grandes tanques que necesitan importantes cantidades de frío.
Industria Química. El control de procesos en una industria química requiere de grandes instalaciones frigoríficas. Por ejemplo, la generación de calor que se da en las reacciones químicas es controlada principalmente con sistemas de generación de frío.
Plásticos. En la industria del plástico se requiere de agua de enfriamiento para refrigerar la maquinaria y los moldes de inyección; si no se dispone de ella, se debe interrumpir la producción.
Textiles. Se necesita mantener ambientes controlados en humedad y temperatura para evitar la rotura de los hilos. Para el correcto funcionamiento de algunas maquinas, es necesario el suministro de agua de enfriamiento proveniente de torres.
Transporte. La cadena de frío exige controlar las condiciones del producto a lo largo de su trasporte hacia el destinatario final. En el transporte aéreo, terrestre y marítimo se deben tomar las precauciones del caso para llevar el producto desde la fuente hasta el destino con las mínimas variaciones posibles. Por ejemplo, durante el transporte del banano se realiza parte del proceso de maduración.
ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
El acondicionamiento de aire consiste en regular las condiciones de temperatura (calefacción orefrigeración), humedad, limpieza (renovación, filtrado) y el movimiento del aire al interior de diversos ambientes para satisfacer las necesidades de confort de sus habitantes. Si no se trata la humedad, sino solamente de la temperatura, podría llamarse climatización. Estos sistemas son aplicados tanto en los hogares como en establecimientos comerciales como bancos o supermercados, las grandes industrias y hoy en día es muy común en los vehículos.
Existen dos tipos sistemas de acondicionamiento de aire, los autónomos que producen el calor o el frío y tratan el aire (aunque a menudo no del todo) y los centralizados que tienen acondicionadores que solamente tratan el aire y obtienen el calor o el frio de un sistema centralizado, por ejemplo, la producción de calor suele confiarse a calderas que funcionan con combustibles, mientras que la producción de frío a máquinas frigoríficas, que funcionan por compresión o por absorción y llevan el frío producido mediante sistemas de refrigeración.
Generalmente, los acondicionadores de aire funcionan según un ciclo frigorífico similar al de los refrigeradores domésticos, poseen cuatro componentes principales: evaporador, compresor, condensador y válvula de expansión.
Dentro de la clasificación de los tipos de sistemas de refrigeración, en este curso haremos un estudio al sistema de refrigeración por compresión de vapor, el cual es aplicado en sistemas domésticos, comerciales e industriales.
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN
El sistema de refrigeración por compresión de vapor, consiste en forzar mecánicamente la circulación del refrigerante en un circuito cerrado, siendo sometido a un ciclo termodinámico de compresión, condensación, expansión y evaporación, creando zonas de baja y alta presión con el propósito de que este fluido absorba calor en un lugar y lo disipe en otro.
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA BÁSICO
Figura 1. Funcionamiento del sistema de refrigeración por comprensión
El Compresor recibe refrigerante en forma de vapor saturado a baja presión y lo comprime mecánicamente para que este salga con alta presión y temperatura hacía el condensador en forma de vapor sobrecalentado.
El condensador recibe el refrigerante a alta presión y temperatura. Durante el recorrido el refrigerante en fase de vapor es condensado pasando de a fase líquido de alta presión, entregando al ambiente externo energía en forma de calor.
Posteriormente la válvula de expansión recibe líquido refrigerante a alta presión. La válvula de expansión es una tubería de menor diámetro a través del cual pasa el líquido refrigerante haciendo que disminuya su presión y temperatura para enviarlo al evaporador.
Finalmente en el evaporador el refrigerante extraerá calor del elemento a refrigerar para pasar de nuevo al estado de vapor saturado a baja presión, el cual pasa al compresor cerrando el ciclo.
Ciclo ideal
Figura 2. Ciclo ideal
En condiciones ideales el calor que es absorbido por el refrigerante en el evaporador es igual al calor expulsado en el condensador. En este caso, se considera que todo el calor que se extrae a los cuerpos es liberado al ambiente sin pérdidas en el sistema.
Ciclo real
Figura 3. Ciclo Real
Todo ciclo de refrigeración real presenta variaciones respecto del ciclo ideal entre ellas está la caída de presión que experimenta el fluido al pasar por las tuberías y los equipos, un sobrecalentamiento del refrigerante que sale del evaporador, que afecta negativamente el COP (Coeficiente de prestación) del sistema, y el subenfriamiento del líquido en el condensador.
Para compensar los efectos del sobrecalentamiento del vapor, se puede instalar un intercambiador de calor que subenfríe el condensado con el vapor, con esto se logra un aumento en el efecto refrigerante, aunque el COP del sistema no mejore en comparación con un sistema ideal.
Diagrama función global
En el siguiente actigrama se ilustra, cómo aumentar la eficiencia en un sistema de refrigeración con pérdidas, utilizando los elementos complementarios.
COMPONENTES DEL SISTEMA
El sistema básico de refrigeración está compuesto por los siguientes elementos:
Figura 4. Componentes del sistema básico de refrigeración
Compresor: es el corazón del sistema de refrigeración por compresión, él recibe el refrigerante en fase de vapor a baja presión y lo comprime a través de pistones aumentando su presión y temperatura, para enviarlo al condensador.
Condensador: es el componente donde el refrigerante en forma de vapor proveniente del compresor se enfría y se condensa transfiriendo el calor hacia el medio externo que puede ser el aire o agua. De esta forma el calor es retirado del sistema.
Tubo capilar: reduce la presión del líquido refrigerante disminuyendo su temperatura, además controla su flujo hacia el evaporador. Este efecto lo consigue gracias a que es un tubo de diámetro menor al del condensador.
Evaporador: son compartimientos cerrados de paredes metálicas donde se hace la transferencia de calor del elemento a refrigerar hacia al refrigerante.
Refrigerante: material usado en un sistema de refrigeración para producir “frío” absorbiendo el calor de un cuerpo en el evaporador, a través de su evaporación, para liberarlo luego al ambiente. Con respecto al ciclo compresión-vapor, el refrigerante es el fluido de trabajo del ciclo el cuál alternativamente se vaporiza y se condensa absorbiendo y cediendo calor, respectivamente.
En el siguiente esquema se ilustran los elementos de un sistema básico de refrigeración.
Figura 5. Sistema de refrigeración por compresión de vapor
En el capitulo 1: conceptos básicos de refrigeración, estudiamos algunos conceptos, la clasificación de los sistemas de refrigeración y los elementos presentes en un proceso de refrigeración. En este capítulo entramos en terminología mas específica junto con los principios de refrigeración.
Principios y términos termodinámicos básicos
La termodinámica es la parte de la física que estudia los intercambios de calor y de trabajo que se producen entre un sistema y su entorno que origina variaciones en la energía interna del mismo. Veremos aquí los principios y términos relacionados con la acción de la refrigeración la cual está basada en la transferencia de calor entre cuerpos.
Calor
De manera cotidiana, se manejan los conceptos calor y temperatura como iguales, pero no lo son. Aunque tienen relación, la temperatura es la magnitud de la energía interna de un cuerpo y el calor es la energía transferida entre dos cuerpos.
La relación entre el calor y la temperatura la podemos ver en este caso. Si acercamos dos cuerpos que están a diferentes temperaturas, se transfiere energía en forma de calor del objeto de mayor temperatura al de menor temperatura. Si la diferencia de temperatura entre los dos cuerpos es alta, el calor transmitido también será alto.
Como el calor se transmite a través del aire, el agua y simplemente por contacto, el objetivo de la refrigeración será disminuir la temperatura de estos medios para que el calor de los alimentos, de una sala de conferencias o de nuestro cuerpo cuando nos bañamos, pueda salir fácilmente.
Transferencia de Calor
Estas situaciones hacen necesario el conocimiento de los principios físicos relacionados con la temperatura de los cuerpos. Variables como la presión y el volumen de un sistema afectan la temperatura y si una de estas variables cambia tiene un efecto directo en el calor que puede ser transmitido.
PREGUNTA: ¿Qué sucede al acercar dos cuerpos que están a diferente temperatura?
RESPUESTA: Se transfiere calor del objeto de mayor temperatura al de menor temperatura
TÉRMINOS APLICADOS EN TERMODINÁMICA
Trabajo. El trabajo se puede describir como la aplicación de una fuerza para vencer cierta resistencia a lo largo de cierta distancia. El trabajo invertido se calcula multiplicando la fuerza aplicada (Kg.) por la distancia (m).
El trabajo se puede ver aplicado en la acción del compresor el cual está compuesto por pistones, bielas, anillos, cigüeñal y otras partes que deben moverse de tal manera que el refrigerante en forma de vapor pueda desplazarse para ser comprimido y enviado a través del sistema.
Energía. La energía se puede describir como la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo. La energía producida en el compresor es transferida al refrigerante aumentando su presión y energía cinética. La característica principal de la energía es su capacidad de cambiar de forma, por ejemplo: energía térmica, energía lumínica, energía mecánica, energía eléctrica, energía química, energía nuclear.
En los sistemas de refrigeración las formas de energía que nos interesan son:
* Energía térmica, que se ocupa de los procesos de transferencia de calor, que ocurren en el área de los circuitos de refrigeración y aire acondicionado. La energía térmica se mide generalmente con unidades de Kcal. (1 Kcal. = Energía Térmica necesaria para elevar la temperatura de 1 kilogramo de agua en 1ºC).
* Energía mecánica, que se ocupa de las presiones, que ocurren en el circuito de refrigeración y de la energía necesaria para hacer operar el compresor de A/A. La energía mecánica se mide generalmente en kilovatios (kW) o en unidades de HP (1 HP=746 W=0.746KW).
* Energía Eléctrica, la cual se ocupa de los sistemas eléctricos y electrónicos. La energía eléctrica se mide generalmente en kilovatios (kW).
Manómetro
Presión. La presión es una forma de energía mecánica, que se desarrolla cuando un fluido o un gas aplican una fuerza en una tubería o en la pared de un depósito. Las unidades generalmente usadas para medir la presión son los (bars). 1 bar = 0.987 Atmósferas (una fuerza de 1Kg. aplicada sobre un área de 1 cm2).
El tubo capilar es uno de los elementos del sistema de refrigeración que tiene acción directa sobre la presión del refrigerante que circula. El funcionamiento del tubo capilar está determinado por 3 presiones fundamentales:
* La presión del refrigerante que ser transforma durante el recorrido por el tubo capilar.
* La presión del refrigerante a la salida del tubo con la cual llega hasta el evaporador.
* La presión con la que llega el refrigerante al ingresar
La diferencia de diámetros en los extremos del tubo capilar provoca la disminución de la presión del gas y la temperatura, de manera que pueda dirigirse hacia el evaporador para el intercambio de calor.
Temperatura. La temperatura se puede definir como la energía térmica de cierto cuerpo. Se han determinado dos puntos de referencia para las mediciones de la temperatura:
la energía térmica del agua en su punto de congelación
la energía térmica de agua en su punto de ebullición
Para las mediciones de temperatura utilizamos generalmente dos sistemas:
* El sistema Anglo-Sajón medido en la escala Fahrenheit (° F).
* El sistema Métrico medido en la escala de Celcius (°C).
Calor Latente. Es la energía absorbida por las sustancias al cambiar de estado, de sólido a líquido (calor latente de fusión) este proceso sucede en el evaporador o de líquido a vapor (calor latente de vaporización) este proceso sucede en el compresor.
Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0°C, a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo.
Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100°C; desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua. Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y es el principio por el que el sudor enfría el cuerpo.
Entalpía. Es una magnitud que expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que tal sistema puede cambiar con su entorno. Por ejemplo, en un cambio de fase de refrigerante de líquido a vapor (evaporización), el cambio de entalpía del sistema es el calor latente.
Este concepto puede verse aplicado en los refrigeradores y en los equipos de aire acondicionado, en donde los objetos guardados allí disminuyen su temperatura cediendo energía hacia el fluido refrigerante a través de un elemento llamado evaporador, propiciando su cambio de estado de líquido a vapor y este a su vez cede la energía absorbida en forma de calor al medio exterior (el aire que nos rodea) través de otro elemento llamado condensador.
Entalpía Específica. Se refiera a la energía que posee una unidad de masa. Este término es muy importante en el sistema de refrigeración porque permite calcular el efecto neto de refrigeración (calor que absorbe el refrigerante por kilogramo de masa).
La entalpia específica se calcula en el evaporador tomando los datos de presión y temperatura del refrigerante al entrar y salir de él y se comparan con la tabla de datos correspondiente a cada refrigerante (las cuales están predeterminadas).
La entalpía específica se determina de la siguiente manera:
Entropía. La entropía representa la cantidad de energía preservada en una sustancia. Este principio es fundamental para medir la eficiencia de un sistema de refrigeración real donde se presentan pérdidas de energía. En el ciclo ideal de refrigeración no se presentan pérdidas de energía y se dice que el sistema es perfecto o ideal, pero en el ciclo real que se da en los sistemas de refrigeración se presentan pérdidas de energía en el funcionamiento.
Una de las características de la entropía es que a mayor temperatura menor es la entropía y viceversa, teniendo en cuenta que el calor es una manifestación de la temperatura, uno de los componentes del sistema donde más podemos encontrar entropía es en el compresor el cual recibe energía eléctrica y la expulsa por el calentamiento generado por la fricción de sus partes en el proceso de compresión del refrigerante.
La entropía se determina como sigue:
Carga Térmica. La carga térmica en un sistema de refrigeración es el calor producido por el elemento a refrigerar. Éste es uno de los parámetros principales que se toman en consideración en el diseño de los sistemas de aire acondicionado por ejemplo.
Transmisión de calor. El calor puede transmitirse de 3 formas: Conducción, Convección y Radiación.
* Conducción: La única forma de transferencia de calor en los sólidos es la conducción. Si se calienta un extremo de un cuerpo, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. Se considera que la conducción de calor en los sólidos se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura.
* Convección: La convección se clasifica en natural y forzada. En la convección forzada se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba. En la convección natural el movimiento del fluido es debido a causas naturales, como el efecto de flotación, el cual se manifiesta con la subida del fluido caliente y el descenso del fluido frio.
* Radiación: La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que están separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.
Relación Presión-Temperatura
En el siguiente esquema se ilustran cuatro casos donde la variación de la temperatura o la presión se afectan de manera proporcional
Variación de la Temperatura y la Presión
1. La lata fría tiene en su interior una bebida a una presión menor a la atmosférica.
2. Cuando inflamos un balón, nuestra mano siente como aumenta la temperatura del inflador cuando está aumentando la presión.
3. Cuando cocinamos alimentos en una olla a presión, a medida que aumenta la temperatura, la presión aumenta.
4. Cuando las personas suben una montaña experimentan que a medida que la presión disminuye, la temperatura también disminuye.
Función global del sistema de refrigeración
La evaporación es el proceso físico por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente. Este fenómeno lo podemos ver cuando en una plancha de vapor el agua en estado líquido actúa como refrigerante, absorbiendo el calor transmitido a la ropa. El resultado de este proceso es que el calor de la plancha se transmite al agua y se produce vapor. Podemos concluir que cada vez que haya evaporación del refrigerante, se está produciendo el efecto de refrigeración.
En el siguiente actigrama se ilustra lo que sucede antes y después con un objeto a alta temperatura cuando se utiliza un sistema de refrigeración por evaporación
Función global de la evaporación del Refrigerante
El refrigerante a baja presión al evaporarse, extrae el calor y disminuye la temperatura del objeto.
En este curso aprenderemos los conceptos, clasificación uso y métodos de refrigeración.
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La refrigeración es el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura de un objeto o espacio. La reducción de temperatura se realiza extrayendo energía del cuerpo, generalmente reduciendo su energía térmica, lo que contribuye a reducir su temperatura.
La refrigeración implica transferir la energía del cuerpo que pretendemos enfriar a otro, aprovechando sus propiedades de temperatura, presión y volumen. La temperatura es el reflejo de la cantidad de energía que posee el cuerpo, ya que el frío propiamente dicho no existe, los cuerpos solo tienen más o menos energía térmica. De esta manera enfriar corresponde a retirar energía en forma de calor, mas no al hecho de » producir frío o agregar frío». Acciones como refrigerar alimentos, climatizar una sala de conferencias o refrescar una persona que tiene fiebre, implican que debe existir un medio que ayude a retirar el calor de los cuerpos y facilite la transferencia de calor. Para lograr este propósito a veces se utiliza el aire, el agua o simplemente a través del contacto con el objeto.
Desde hace mucho tiempo, el hombre ha utilizado la refrigeración para prolongar la vida útil de los alimentos, para tener ambientes más confortables o para disfrutar de bebidas refrescantes. Al principio, la nieve se llevaba a las poblaciones desde los picos cercanos que tuvieran nieves permanentes en verano, y si no en primavera, antes de la fusión, en carros aislados con paja, durante las noches, y se guardaba en unos pozos situados fuera de la población.
Distribución de Hielo (ICE MAN)
Versión antigua de la nevera (ice box)
La versión primitiva de la heladera o freezer era un armario de madera, aislado, en el que había un compartimento superior, donde se ponía nieve, y de ahí el nombre más antiguo, nevera. La parte inferior servía para almacenar los alimentos que requieren frío para su conservación.
A medida que el hombre consigue avanzar en la agricultura y lograr producción más abundante en la explotación de la tierra, surge la necesidad de buscar una forma de mantener los alimentos perecederos de una manera más cómoda y práctica. Así surge la necesidad de los científicos de descubrir un método para refrigerar los productos y conservarlos durante más tiempo.
PREGUNTA: ¿Cuál es el objetivo de un sistema de refrigeración? RESPUESTA: Reducir la temperatura de un espacio u objeto con respecto al exterior.
ELEMENTOS PRESENTES EN UN PROCESO DE REFRIGERACIÓN En todo proceso de refrigeración existe un objeto o cuerpo a refrigerar, un elemento refrigerante, el lugar donde se extrae el calor y el lugar de expulsión del calor.
Elementos presentes en un proceso de refrigeración
Elemento a refrigerar. Es cualquier objeto o espacio por ejemplo personas, alimentos o ambientes que requieren retirar calor para disminuir su temperatura. Ejemplo A: Persona, Ejemplo B: Carne.
Elemento refrigerante. Su función es retirar el calor de los cuerpos y llevarlo al lugar de expulsión. Ejemplo A: Agua, Ejemplo B: Refrigerante que circula por las tuberías.
Lugar donde se extrae el calor. Es el espacio donde se retira el calor de los cuerpos para reducir su temperatura. Ejemplo A: Ducha, Ejemplo B: Nevera.
Lugar donde se expulsa el calor. Es el espacio o el sitio donde el calor de los cuerpos es liberado. Ejemplo A: Rejilla de la ducha, Ejemplo B: Espacio exterior de la nevera (aire).
En el siguiente actigrama se ilustra lo que sucede antes y después con un elemento que se desea refrigerar cuando se utiliza un sistema de refrigeración.
Función Global del sistema de refrigeración.
La función del sistema de refrigeración es retirar el calor de un cuerpo para reducir su temperatura con respecto al exterior.
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
Los sistemas de refrigeración se pueden clasificar de acuerdo a dos tecnologías ampliamente utilizadas, los sistemas de compresión de vapor y los sistemas por absorción. Además, existen otros sistemas no convencionales como los de efecto termoeléctrico, chorro de aire y chorro de vapor y cada uno tiene variaciones según la aplicación específica.
Sistema por compresión de vapor
Sistema de refrigeración por compresión de vapor.
El sistema por compresión consiste en forzar mecánicamente en un circuito cerrado la circulación del refrigerante a través de un elemento llamado compresor, creando zonas de alta y baja presión. Estos sistemas son ampliamente utilizados en el mundo, con una participación superior al 98% de las aplicaciones frigoríficas.
Sistema de refrigeración por absorción
Sistema de refrigeración por absorción.
Los sistemas de refrigeración por absorción difieren de los convencionales por compresión de vapor, en que la etapa de compresión es reemplazada por 2 procesos: generación y absorción. Además, el refrigerante más usado en estos sistemas es el amoniaco mezclado con agua debido a la capacidad de absorción de una sustancia sobre otra para generar el efecto de refrigeración. El ciclo por absorción funciona así: La mezcla de refrigerante y absorbente (agua) se bombea al generador donde se calienta para evaporar gran parte del refrigerante, el cual pasa al condensador donde se enfría; el refrigerante sigue su camino por el dispositivo de expansión donde pierde presión y en consecuencia es enfriado aún más; luego va al evaporador a baja presión, donde el refrigerante absorbe energía térmica del medio externo evaporándose logrando así el efecto de refrigeración requerido; seguidamente el refrigerante va al absorsor donde se encuentra con una mezcla rica en absorbente (agua) que regresa del generador, allí se mezclan absorbente y refrigerante para ser bombeados una vez más al generador e iniciar de nuevo el ciclo.
El rendimiento para el ciclo de absorción, es menor que en el método por compresión de vapor ya que para liberar el vapor de la disolución comprimida debe suministrarse calor, sin embargo, en algunos casos esto se justifica cuando la energía proviene de una fuente térmica más económica que la energía eléctrica.
Métodos no convencionales
Además de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor y por absorción, en ciertas aplicaciones se utilizan otros métodos no convencionales para la obtención de bajas temperaturas. Efecto termoeléctrico. El efecto termoeléctrico en un material relaciona el flujo de calor que lo recorre con la corriente eléctrica que lo atraviesa.
Refrigeración por efecto termoeléctrico, nevera de un automóvil.
Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica.
Chorro de aire. Consiste en generar un chorro de aire comprimido, tangencial a una placa, a velocidades próximas a la del sonido; de esta forma se separa el flujo en dos corrientes, una interior, que se expande y enfría, y una exterior que se calienta por la disipación de calor del interior.
Refrigeración por chorro de aire, ventiladores en equipos de cómputo.
El enfriamiento del aire interno es el que se aprovecha para refrigerar, con un rendimiento del 10% comparado con un ciclo de compresión. Sin embargo es un sistema sencillo y seguro con aplicaciones en sistemas electrónicos principalmente. Chorro de vapor. En este sistema el efecto refrigerante se produce enfriando agua en el evaporador por efecto del agua evaporada a baja presión y el incremento de la presión del vapor se logra mediante eyectores. Estos sistemas producen agua fría entre 2ºC y 20ºC y tienen aplicación principalmente en procesos donde el producto a tratar se evapora directamente, como concentrados de jugos naturales o alimentos que se deterioran con el calor.